工學學學碩碩碩士士士學學學位位位論論論文文文大

(1)

工工

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大

大型型型 2 2 2行行行程程程低低低速速速船船船舶舶舶用用用 디 디 디젤 젤 젤機機機關關關의 의 의 瞬

瞬

瞬間間間回回回轉轉轉速速速度度度變變變動動動에 에 에 관 관 관한 한 한 硏硏硏究究究

A A

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指指指導導導敎敎敎授授授崔崔崔在在在星星星

2 2

20 0 00 0 07 7 7年年年 8 8 8月月月

韓韓韓國國國海海海洋洋洋大大大學學學校校校海海海事事事産産産業業業大大大學學學院院院機

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20 0 00 0 07 7 7年年年 6 6 6月月月 2 2 27 7 7日日日

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(3)

목 목 목 차 차 차

A A Ab b bs s st t tr r ra a ac c ct t t

...ⅲ

N N No o om m me e en n nc c cl l la a at t tu u ur r re e e. . .

...ⅴ

S S Su u ub b bs s sc c cr r ri i ip p pt t ts s s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ⅵ

제 제 제 1 1 1장 장 장 서 서 서 론 론 론

...1

1.1연구 배경 ...1

1.2연구 내용 ...3

제 제 제 2 2 2장 장 장 왕 왕 왕복 복 복동 동 동 내 내 내연 연 연기 기 기관 관 관의 의 의 토 토 토크 크 크 변 변 변동 동 동

...4

2.1크랭크각도와 피스톤변위의 관계 ...4

2.2피스톤의 속도와 가속도 ...6

2.3크랭크축의 회전력 ...7

2.4왕복동 내연기관의 토크변동의 고찰 ...10

제 제 제 3 3 3장 장 장 순 순 순간 간 간속 속 속도 도 도변 변 변동 동 동 계 계 계측 측 측 및 및 및 결 결 결과 과 과 고 고 고찰 찰 찰

...12

3.1계측 방법 ...12

3.2계측 결과 ...18

3.3운전조건에 따른 속도변동 계측 분석 ...21

3.4속도변동 계측결과의 고찰 ...26

(4)

제 제 제 4 4 4장 장 장 순 순 순간 간 간속 속 속도 도 도변 변 변동 동 동 분 분 분석 석 석에 에 에 의 의 의한 한 한 기 기 기관 관 관 진 진 진단 단 단

...28

4.1한 실린더 착화실패 시 기관분석...28

4.2기관 지시마력 산출과정의 오류분석 ...34

제 제 제 5 5 5장 장 장 결 결 결 론 론 론

...44

참 참 참고 고 고문 문 문헌 헌 헌

...45

(5)

A A

A S S St t tu u ud d dy y yo o on n nt t th h he e eI I In n ns s st t ta a an n nt t ta a an n ne e eo o ou u us s sS S Sp p pe e ee e ed d dV V Va a ar r ri i ia a at t ti i io o on n no o of f f a

a aL L Lo o ow w w S S Sp p pe e ee e ed d d2 2 2S S St t tr r ro o ok k ke e eM M Ma a ar r ri i in n ne e eD D Di i ie e es s se e el l lE E En n ng g gi i in n ne e e

JJJiiinnn---UUUkkkLLLeeeeee

DDDeeepppaaarrrtttmmmeeennntttooofffMMMaaarrriiinnneeeEEEnnngggiiinnneeeeeerrriiinnnggg G

G

GrrraaaddduuuaaattteeeSSSccchhhoooooolllooofffMMMaaarrriiitttiiimmmeeeIIInnnddduuussstttrrriiiaaalllSSStttuuudddiiieeesss K

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KooorrreeeaaaMMMaaarrriiitttiiimmmeeeUUUnnniiivvveeerrrsssiiitttyyy

AAAbbbssstttrrraaacccttt

Itisveryimportantmattersforship'soperationtokeepship'ssafetyand saving operation costand one ofrequisite is an optimized operation for mainengine.

To achieve the optimized operation ofmain engine,itis imperative to checktheperformanceofmainengineperiodically.

Thereareseveraltypesofanalysisequipmenttocheck theperformanceof main engine such asmechanicalindicator,Maihak and electronicindicator, EMS(EngineMonitoringSystem)andetc.

However,itis reported thatthe IHP calculated and measured from EMS hasadeviationcomparedtomechanicalindicator.

EMS measures the cylinder pressure by piezoelectric transducers and crank angle is justdetected through TDC sensor atconstanttime,not real-time.

(6)

Thispaperproposesanothermethod to estimatethein-cylinderpressure andtorquebyusingcrankshaftspeedvariation.

Thevariationofthecrankshaftspeedinamulti-cylinderengineisdetermined by the resultantgas pressure torque and the torsionaldeformation ofthe crankshaft.Under steady state of operation,the crankshaft speed has a quasi-periodic variation.For the diagnosis,the engine instantaneous speed versuscrankshaftangleisutilized.

Thispaperdescribesasimplemeasurementmethodoftheengineinstantaneous speed versus crankshaft angle by using the teeth on the flywheel of the crankshaft.Twonon-contactingmagneticpickupcombinationsdetectthecrank angleandTDC positiontoacquirethedata.Theresultfrom experimentsona 6 cylinder marine diesel engine demonstrates that the crankshaft speed variationiswelldetectedwithgoodresolutions.

Inthemeantime,thereareseveralresearchesfortheautomobileengineto meetOBD IIregulation forthe prevention ofairpollution,one method of whichtodetectmisfireusingcrankshaftspeedvariation.

Furthermore,the validity for the method is verified during the cylinder cut-offcondition formarine dieselengine and the wide crankshaftspeed variationisshownwhilethegovernorcontrolstheenginecontinuously.

Also,itis confirmed thatthe engine outputmeasured by EMS could be overevaluated than theactualvaluedueto TDC position errorcaused by instantaneousspeedvariation.

k k

keeeyyywwwooorrrdddsss:::InstantaneousSpeedVariation(순간속도변동),IHP(Indicatedhorse power),EngineMonitoringSystem(EMS :기관 감시 시스템), Misfire(실화),OBD(OnBoardDiagnosticsⅡ),TDC(TopDeadenter), MainEngine(주기관),MarineDieselEngine(선박용 디젤기관)

(7)

N N

No o om m me e en n nc c cl l la a at t tu u ur r re e e

BDC : bottom deadcenter BHP : brakehorsepower

BMS : bridgemaneuveringsystem ECU : enginecontrolunit

EMS : enginemonitoringsystem FFT : fastfouriertransform IHP : indicatedhorsepower MCR : maximum continuousrate NCR : normalcontinuousrate OBD Ⅱ: onboarddiagnosticsⅡ TDC : topdeadcenter

_ _:clockcountnumberofthedurationfortooth

 _:pi_stonaccel_erati_on



_ _:i_nerti_aofthepiston& movingparts



_ :gasforceonpiston



_ _:momentofi_nerti_a

 _:crankangl_{efrom TDC}

 _:anglebetweencon.rodandcyl.centerline

 _:





 _:angul_arvel_ocityofcrankshaft

S S Su u ub b bs s sc c cr r ri i ip p pt t ts s s

 _:cyl_i_ndernumber

 :numberofcylinders

(9)

제 제 제 1 1 1장 장 장 서 서 서 론 론 론

111...111연연연구구구 배배배경경경

선박의 추진동력의 파악은 선박의 경제적인 운항관리는 물론 선박추진시스템 의 신뢰성 향상을 위하여 필요한 많은 정보들 중에 필수적으로 요구되는 사항 이다.최근 선박의 경우 각종 감시 및 진단장치(monitoring& diagnosissystem) 를 설치하여 이러한 요구에 부응하는 추세이며,주기관의 성능분석기(MIP)를 추 가한 EMS(EngineMonitoringSystem)도 그 주요 항목 중 하나이며,대부분 대 형선박에서 실용화 되어있다.그러나 EMS에서 계측 및 산출된 지시마력(IHP) 이 기계식 인디케이터로 실린더 압력을 취득,연료유의 비중,온도,기관실 및 소기온도 등 여러 변수를 사용한 계산치와 실린더 선도에서 플라니메터(plani meter,면적계)에 의한 지시마력의 산출된 결과보다 크게 나타난다고 보고가 있고,본 실험선(한나라호)에서도 지시마력에 대한 오차를 확인할 수 있었다.

기관의 출력을 측정하는 방법으로는 실린더내의 압력을 측정하는 방법과 추 진축에서 토크를 직접 측정하는 방법을 생각할 수 있으나,기관의 실린더 내 압력을 직접 측정하여 토크의 변동을 파악하는 것은 복잡한 연산과정이 요구됨 은 물론 다 실린더 기관의 경우에는 폭발간격을 고려하여야 하기 때문에 간단 치 않으며,기관의 토크 변동을 직접 측정하는 것은 고가의 계측장비를 필요로 하기 때문에 많은 비용이 요구된다.

왕복동 운동을 하는 디젤기관은 그 작동원리상 압축과 팽창과정 등에서 실린 더내의 압력이 심하게 변동하기 때문에 크랭크축에서 발생하는 토크가 변동하 게 된다.토크의 변동은 기관회전속도의 변동으로 이어지고 비틀림 진동 등을 야기하기 때문에 동력을 전달하는 축계장치의 설계에는 물론 기관의 안정적인 운전에도 영향을 미치게 된다.

선박추진용 디젤기관과 같이 저속기관의 경우에는 각각의 실린더에서 발생하 는 토크의 변동이 크기 때문에 기관회전속도의 변동에 미치는 영향이 크게 되 어 변동 폭 또한 크게 된다.실린더간의 발생 토크가 불균일하게 되면 이 영향 은 더욱 크게 될 것이고,저속기관의 경우 회전속도의 변동이 크면 조속기의 작동에도 민감하게 영향을 미치게 되어,특히 디지털 조속기(governor)가 사용

(10)

되는 기관의 경우는 기관의 제어를 어렵게 할 수 도 있다.

환경적인 측면에서는 여러 가지 오염 중 대기오염으로 인한 지구의 온난화로 많은 문제가 대두되고 있다.

선박의 경우 2000년 1월 1일 이후에 건조되는 선박에 설치되거나 주요 개조 가 이루어진 출력 130kW을 초과하는 선박기관의 경우 질소산화물(NOx)의 규 제의 적용을 받게 되어있으며,이에 따른 기관과 설비는 NOxTechnicalCode에 따라 검사가 수행되어야 한다.

일반적으로 육상 자동차 기관에서는 연소 과정에서 유해 성분을 후처리 장치인 3원 촉매 장치(3-way catalyst)를 이용하여 정화를 시킨다.그러나 점화불능, 연료 공급 장치의 결함,기관의 압축 저하 등으로 인하여 정상적인 연소가 일 어나지 않고 즉 실화(misfire)가 발생하면 동력손실 및 연료 소비가 증가,토크 불 균일 등을 야기 시키며 특히 배기중의 유해성분이 급격히 증가하게 된다.

기관의 실화 검출은 OBD Ⅱ(OnBoardDiagnosticsⅡ)에 규정된 10가지 항 목 중 하나이다.OBD Ⅱ는 “1994년 이후 모델의 모든 자동차는 동력 전달 계 통 부품 중에서 배기 배출물에 영향을 미치고 제어 장치와 입출력 신호를 교환 하는 부품의 결함이나 제어 장치의 자체의 작동 오류를 운전자에 알려주는 결함 표시기(malfunctionindicator)를 계기판에 설치해야한다.”고 규정하고 있다.

실화와 관련한 고장 진단장치는 기관 실화를 검출하고 실화가 일어난 실린더 를 판별해 낼 수 있어야 하며,1997년 이후 모델의 자동차에서는 무부하 운전 영역 및 3,000rpm에서 부하가 걸리기 시작하는 점과 최고 속도에서 흡기 다기 관 부압으로 101.6mmHg에 해당하는 2점을 연결한 직선이하의 무부하 영역을 제외한 모든 부하 영역에서 결함 표시기가 작동되어야 한다.

실화가 일어나면 일차적으로 기관에서 배출되는 탄화수소와 산소농도가 증가 하므로 산소 센서는 희박 혼합기에 해당하는 신호를 ECU(EngineControlUnit)에 보내게 되어 혼합기는 더욱 농후해 진다.결과적으로 실화로 인해 탄화수소와 일산화탄소의 배출농도는 증가하고 질소 산화물은 감소하게 된다.

기관의 실화검출은 연소변동에 따른 실린더 내의 압력변화나 연소가스의 온 도 변화를 직접 측정하여 실화 여부를 판단하는 방법과 실린더 내의 압력변동 이나 연소생성물에 따라 영향을 받는 관계 변수들을 측정하여 판단하는 간접적 인 방법이 있다.

(11)

직접적인 실화검출은 선박용 기관에서는 EMS 및 BMS(BridgeManeuvering System)의 안전장치 등에 사용되고 있으나,자동차 기관에서는 실린더 내에 센 서를 설치해야 하기 때문에 설치공간의 확보가 어렵고,또한 센서장치가 고가 이며 센서가 고온 연소가스에 노출이 되므로 센서의 내구성 및 오염 등에 따른 문제가 야기될 수 있다.

간접적인 실화검출은 배기가스 분석,기관의 출력토크 변동,배기 정화용 촉 매 온도,산소 센서 출력이나 크랭크축 순간속도(각속도)변동을 이용하는 방법 이 있다.이들 방법 중 여러 가지 문제점 등이나 여건 및 비용 면에서 현재 자 동차 기관의 경우 실화 검출 방법으로 크랭크축의 순간속도(각속도)변동에 관 한 연구가 활발히 수행 되어 왔다.

111...222연연연구구구 내내내용용용

본 연구에서는 토크의 변동을 측정하는 방법으로 기관의 순간 회전속도를 계 측,토크 변동을 예측하는 방법에 착안한 기초연구로서 순간회전속도의 변동을 측정하였다.순간 회전속도는 플라이휠에 가공되어 있는 치차에 비접촉식 근접 센서를 이용하여 간단히 측정할 수 있다.또한 기관의 순간회전속도를 측정할 수 있는 장치를 개발하고,실선에 적용하여 선박용 디젤기관의 각 운전조건에 서 발생하는 속도변동을 파악 하였으며 이 방법은 개발비용은 물론 실선에 적 용한 측정결과에 있어서도 만족할만한 정확도를 나타내었다.이 결과를 이용하 면 비교적 간단하면서도 저렴한 비용으로 토크의 변동을 예측할 수 있을 것으 로 판단된다.또한 실화 판단의 한 간접적인 방법으로 실화로 인한 불균일한 토크 변동에 대한 순간속도변동을,감통운전 범위인 Half(130rpm)에서 각 실 린더 별로 연료유를 차단하여 실화를 가정한 운전 중 순간속도변동을 정상운전 속도변동과 비교하여 그 타당성을 검증하였으며,실화 운전 당시 주기관의 조 속기에서 계속적인 제어가 이루어짐에도 순간회전속도가 주기적으로 크게 변동 함을 확인 할 수 있었다.또한 상선 및 실습선에서 사용 되어지고 있는 EMS에 서 계측 및 산출된 지시마력(IHP)의 결과가 토크메타(Torque Meter)에 의한 계측결과 보다 크게 평가되는 원인을 실험적,이론적으로 고찰하여 규명하였다.

(12)

제

제 제 2 2 2장 장 장 왕 왕 왕복 복 복동 동 동 내 내 내연 연 연기 기 기관 관 관의 의 의 토 토 토크 크 크변 변 변동 동 동

222...111크크크랭랭랭크크크각각각도도도와와와 피피피스스스톤톤톤변변변위위위의의의 관관관계계계

FFFiiiggg...222...111 DDDiiisssppplllaaaccceeemmmeeennntttooofffpppiiissstttooonnn

F

FFiiiggg...222...111에 있어서 피스톤의 상사점으로부터의 변위를    _{라 하면 다음과} 같이 표시된다.

             

여기서 행정 , 크랭크 반경  ,연접봉의 길이 

실린더 중심선으로부터의 크랭크각도,연접봉각도,  라 하면 다음과 같이 표시된다.

(13)

           

                (2.1)

여기서 상식의 와 크랭크각도 의 관계를 이용하여 식 (2.1)에 대입하면 다음 과 같이 된다.

     

   

    



    ^  ^^

         











 



^{  }^^^   (2.2)

상식중의 함수



^{  }_^^^ ^{을 Tayl}or급수로 전개하면 다음과 같이 된다.



^{  }^^^   



^

^  



^

^  



^

^ ⋅⋅⋅⋅⋅

여기서

^  

  

 

^  

  

   

 

이므로 식 (2.2)는 다음과 같이 된다.

  

 



  

  

^  ⋅⋅⋅   

(14)

 

 



   

^  

^  ⋅⋅⋅  

 

 





^  

^  ⋅⋅⋅  

 

 





^  ⋅⋅⋅    ⋅⋅⋅   (2.3)

_{상식 중} ^이상의 고차계수를 포함하는 항은    ∼ 로 매우 작은 값이 되므로 이를 생략하면 (2.4)식을 얻을 수 있다.

 ≒   

     

  

        

        (2.4)

222...222피피피스스스톤톤톤의의의 속속속도도도와와와 가가가속속속도도도

피스톤속도   는 피스톤변위   을 시간에 대하여 미분하면 얻게 된다.

식 (2.3)으로부터

  

  



   



      

 





  

^  

^  ⋅⋅⋅  

  

 





^  

^⋅⋅⋅  

  

 





^  ⋅⋅  ⋅⋅⋅   (2.5)

상식에 있어서도 ^이상의 고차의 항은 생략하면

(15)

 ≒  

 



    

   (2.6)

또한 피스톤의 가속도  ^에 대해서도 식 (2.5)에서 다음과 같이 얻을 수 있다.

  

  



   



 ^   ^

 





  

^  

^  ⋅⋅⋅  

 ^

 





^  

^  ⋅⋅⋅  

 ^

 





^  ⋅⋅⋅    ⋅⋅ (2.7)

따라서 마찬가지로 고차항을 생략하면 근사적으로 구할 수 있다.

 ≒ ^

 



    

 ^ (2.8)

222...333크크크랭랭랭크크크축축축의의의 회회회전전전력력력

피스톤의 중량을 _,연접봉의 왕복운동부분의 중량을 __{라 하면,왕복운동} 부분의 총중량 _ __ 에 의한 관성력 _은 임의의 크랭크 각에서 다음과 같이 된다.

_  _

≒ _

 ^

 



    

    (2.9)

또는   과    ^이므로

(16)

_≒ _^



 



  

  (2.10)

  의 상사점에 있어서의 관성력 _{  }_{은 다음과 같이}

_{  } _

 ^

 



  

 가 되어 피스톤운동을 방해하는 힘은 최대로

되고,  ^∘의 하사점에서는

_{  } _

 ^

 



  

 로 되어 피스톤운동을 조장하는 힘이 최대 로 된다.이와 같이 피스톤의 왕복운동에 대한 관성력의 영향의 크기는 크랭크 각도에 따라 변하며,이것과 가스의 폭발력과 합성력이 크랭크를 회전시키는 회전력이 된다.

F

FFiiiggg...222...222 TTTooorrrqqquuueeeooofffcccrrraaannnkkkssshhhaaafffttt

(17)

F

FFiiiggg...222...222에서 관성력 __{와 가스압력} _ 때문에 피스톤에 작용하는 합성력  는 피스톤의 측압력 _  와 연접봉에 작용하는_  =   로 분리할 수 있다.여기에서,크랭크핀에 작용하는 힘 _를 크랭크 암에 수평한 힘과 수직한 힘으로 나누면,수평분력 _는 크랭크 핀을 베어링에 억누루는 힘 에 불과하나 접선방향의 _는 회전력으로 유효하게 작용한다.따라서

__    

^

 



     

    (2.11)

_와 의 관계를 이용하면 크랭크축의 회전력은 다음과 같이 표시된다.

_ 

 



   

^ ^   (2.12)

이로부터



__{은 합성력}와 크랭크 각 로 나타 낼 수 있으며,회전 모멘트



_도

 _ ×   

로 계산된다.

(18)

222...444왕왕왕복복복동동동 내내내연연연기기기관관관 토토토크크크변변변동동동의의의 고고고찰찰찰

왕복동 내연기관의 토크 _는 실린더내의 가스압력에 의하여 발생하는 토크

_{ }와 회전관성력에 의한 토크 _{ }로 구분 할 수 있다.



_ 



_{  }^ ^

^

^^

^

^^^ ^(2.¹³⁾

여기서 는 실린더 번호,는 실린더 수이다.그리고 회전운동 하는 왕복동 내 연기관의 축계운동방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.



_^

 



_ 



_ _(2.₁₄₎

여기서,

_ :축계의 회전관성력

 :기관축의 각속도

_ :기관발생 토크



_ :프로펠러 구동 토크

또한 기관의 전 발생 토크를 폭발순서와 회전속도에 대한 크랭크각 로 전개할 수 있다.식 (2.14)에       을 대입하고,



_ 



_



_ _{라 하면}

식 (2.15)와 같이 된다.



_



_ ^





 ^(2.¹⁵⁾

식 (2.15)에 _{를 크랭크각} 로 표시하면 식 (2.16)과 같이 표시 될 수 있다.

(19)



_ ^

 



_ ^ 







 

 ^(2.¹⁶⁾

여기서 각각의 실린더의 토크를 _ ,를 실린더 번호,를 실린더 수라 하면 다기통 엔진 토크는 다음과 같이 된다.



_ ^

  

 







 













  





_ 



_ _(2.₁₇₎

회전관성력에 의한 _는 (2.10)식에서 보는바와 같이 기관 회전속도에 제곱에 비례하며,가스 압력에 의해 발생하는 _는 기관부하의 증가에 따라 증가한다.

그러나 _는 회전관성질량 _에 의한 영향을 무시하면 한 사이클 중에 일정한 값을 가지며,_는 기본적으로 실린더 수에 의한 주기적으로 변동을 일으킨다.

따라서 기관의 순간토크의 변동은 _의 변동에 크게 영향을 받는다.토크의 변동은 결과적으로 순간회전속도의 변동을 야기 시키기 때문에 순간회전속도의 변동을 계측하면 순간토크 변동을 역으로 알 수 있고,이로부터 실린더 상태를 파악할 수도 있다.

(20)

제 제

제 3 3 3장 장 장 순 순 순간 간 간속 속 속도 도 도변 변 변동 동 동 계 계 계측 측 측 및 및 및 결 결 결과 과 과고 고 고찰 찰 찰

333...111계계계측측측 방방방법법법

대상기관은 선박추진기관용 저속2행정 디젤기관(MCR :200rpm,4000BHP)으 로 TTTaaabbbllleee111은 실험대상 기관의 사양이다.

T T

Taaabbbllleee111SSSpppeeeccciiifffiiicccaaatttiiiooonnnooofffTTTeeessstttEEEnnngggiiinnneee I

I

Ittteeemmm SSSpppeeeccciiifffiiicccaaatttiiiooonnn E

E

Ennngggiiinnneeetttyyypppeee 222ssstttrrroookkkeee,,,sssiiinnngggllleeeaaaccctttiiinnnggg d

ddiiieeessseeellleeennngggiiinnneeewwwiiittthhhTTT///CCC N

N

Nuuummmbbbeeerrrooofffcccyyyllliiinnndddeeerrr... 666 CCCyyyllliiinnndddeeerrrbbbooorrreee 333555000mmmmmm PPPiiissstttooonnnssstttrrroookkkeee 111000555000mmmmmm

MMMCCCRRR 444000000000BBBHHHPPP @@@ 222000000rrrpppmmm N

N

NCCCRRR 333444000000BBBHHHPPP @@@ 111888999...555rrrpppmmm FFFiiirrriiinnngggooorrrdddeeerrr 111---555---333---444---222---666

F

FFiiiggg...333...111은 측정방법의 계략도를 보인다.순간속도변동의 측정은 고주파 발 진형 근접센서(proximity sensor)를 이용하였다.플라이휠 원주 상에 가공되어 있는 치차가 변위센서를 통과할 때 발생하는 신호를 구형파로 변환하고 변환된 구형파의 한 주기 동안 시간을 측정하는 방법으로 각 기어 사이를 통과하는데 소요되는 시간을 측정하였다.시간의 측정은 Counter Acquisition System의 InternalClock을 Count하여 치차사이의 Clock수를 측정하여 시간으로 환산하 였으며,또한 Processor의 내부 InternalClock의 주기를 0.6_{로 고정하였다.}

(21)

측정의 시작의 신호(TriggerSignal)는 기존의 주기관 EMS의 TDC Sensor 를 사용하였고,1번 실린더의 상사점 ^∘전에서 발생하며,종료신호를 입력할 때까지의 데이터를 저장하도록 하였다.

Fiiiggg...333...111 DDDiiiaaagggrrraaammm ooofffcccooouuunnnttteeerrraaacccqqquuuiiisssiiitttiiiooonnnsssyyysssttteeemmm

FlywheelToothSensor는 다음과 같이 선정하여 사용하였다.본선 주기관의 MCR이 200rpm이고,FlywheelTooth의 수가 104개이기 때문에 초당 감지하는 능력 즉 응답 주파수가 350Hz이면 된다고 판단하였는데,실험 도중 치차를 놓 치는 경우가 발생 하여 800Hz의 성능을 갖는 응답 주파수의 근접센서를 사용 하여 실험에 사용하였다.

T

TTaaabbbllleee222는 사용되어진 센서의 사양이고,FFFiiiggg...333...222는 주기관의 EMS의 TDC Sensor와 FlywheelToothSensor가 설치된 사진을 보여주고 있다.

(22)

T

TTaaabbbllleee222 SSSpppeeeccciiifffiiicccaaatttiiiooonnnooofffffflllyyywwwhhheeeeeellltttoooooottthhhssseeennnsssooorrr I

I

Ittteeemmm SSSpppeeeccciiifffiiicccaaatttiiiooonnn M

MMooodddeeelll PPPRRR111222---222DDDNNN PPP 고고고주주주파파파 발발발진진진형형형 근근근접접접센센센서서서 R

R

R 원원원주주주형형형 검

검

검출출출면면면의의의 지지지름름름 111222mmmmmm 검검검출출출거거거리리리 222(((mmmmmm±±±111000%%%)))

D D

DNNN 직직직류류류333선선선식식식 출출출력력력 NNNPPPNNN nnnooorrrmmmaaalllooopppeeennn 응

응

응답답답주주주파파파수수수 888000000HHHzzz

FFFiiiggg...333...222 TTToooooottthhh&&& TTTDDDCCC(((tttrrriiiggggggeeerrr)))ssseeennnsssooorrrooonnnttthhheeeffflllyyywwwhhheeeeeelll

(23)

본 연구에 사용한 데이터 처리장치는,아래와 같이 크게 3부분으로 구성된다.

(1)중앙 처리 장치(CentralProcessingUnit:CPU) (2)기억 장치(MemoryUnit)

(3)입⋅출력 장치(Input/OutputUnit)

F F

Fiiiggg...333...333 EEEqqquuuiiipppmmmeeennntttfffooorrrcccooouuunnnttteeerrraaacccqqquuuiiisssiiitttiiiooonnnuuunnniiittt

핵심 부품인 제어용 마이크로프로세서는 입력,출력,기억,연산 제어를 수행 하는 pd70325(v25)를 사용 하였다.

(24)

이 마이크로프로세서는 FlywheelTooth 근접센서(Proximity Sensor)로부터 검출된 Pulse(구형파)Signal및 TDC(Trigger)Signal을 PhotoCouple에 의하 여 받은 신호를 디지털 데이터로 전환하도록 되어 있고,ProcessorInternal ClockGenerator에서 발생한 ClockCount를 분석 처리하도록 설계 제작하였다.

주변소자인 ROM에서는 모니터 상에 계측된 각 Tooth 사이의 Clock Count 수를 실시간으로 표시하도록 하는 프로그램과 기본데이터를 기록하도록 되어 있다.또한 RAM은 실시간으로 얻어지는 신호를 저장하고 RS-232통신라인을 통해 수집한 데이터를 주 컴퓨터로 전송하도록 하여 내부 하드 디스크에 데이 터를 저장 하도록 하였다.

F

FFiiiggg...333...333은 실험에 사용된 Counter Acquisition Unit에서 CPU,EEP-ROM, E-ROM,S-RAM,I/O Unit,Decoder포함된 제작된 장비를 보여주고 있다

F

FFiiiggg...333...444는 위의 가각의 CPU를 포함한 각각의 주변 소자의 실제 설계 Circuit Diagram을 보여 주고 있다.

(25)

FFFiiiggg...333...444 CCCiiirrrcccuuuiiitttdddiiiaaagggrrraaammm ooofffCCCPPPUUU &&& mmmeeemmmooorrryyyooofffcccooouuunnnttteeerrraaacccqqquuuiiisssiiitttiiiooonnnuuunnniiittt

(26)

333...222계계계측측측 결결결과과과

순간속도변동의 측정은 앞에서 언급 한 바와 같이 플라이휠 원주 상에 가공 되어있는 치차(tooth)와 치차사이를 지나는 시간을 측정하면 된다.회전하는 플 라이 휠 치차가 근접센서의 검출거리에 도달하여 발생하는 신호를 구형파로 변 환하고,변환된 구형파 사이의 시간을 측정하였다.

이때 치차사이의 internalclock수를 취득(sampling)하는 방법에는 회전수의 범 위와 관계없이 일정하게 clock 주파수를 고정 시키는 방법(fixed frequency sampling)과 회전수의 범위와 비례하여 clock 주파수를 증가시켜 동기화 하는 방법(synchronous frequency sampling)이 있으며,중요한 것은 고 주파수 비 (HighFrequenceRate)이다.

본 연구에서는 순간회전속도를 측정하기 위하여,InternalClock주파수를 고 정하는 fixedfrequency sampling 방법을 이용하였으며,운전조건은 선박의 운 항에 있어서 주로 이용되는 운전조건 즉 DeadSlow(80rpm),Slow(100rpm), Half(130rpm),ManeuveringFull(160rpm),NCR(190rpm)에 따라 한 사이클 동안의 회전하는 플라이휠(Flywheel)의 이(tooth)사이에 InternalClock 수를 계측 하였다.

(27)

F

FFiiiggg...333...555는 측정한 결과의 한 예로서 NCR(190rpm)일 때의 측정결과를 보 인다.그림으로부터 알 수 있는 바와 같이 측정 결과에는 매우 심한 변동성분 이 나타나고 있으며,여기에는 비틀림진동에 의한 영향도 포함되어 있는 것으 로 판단된다.

비틀림 진동진폭은 대상기관의 경우 회전속도에 따라 0.1∼_0._{4deg정도로 계} 측되었으며,이는 순간속도변동을 계측한 결과에서도 확인할 수 있었다.측정오 차를 감안하여 속도변동율에 관한 검토는 측정된 결과를 FFT Smoothing방법으 로 처리하여 데이터를 분석 하였다.

또한 Smoothing 방법에 따른 분석 결과를 함께 나타내고 있다.그림에서 알 수 있는바와 같이 FFT Smoothing처리에 있어서는 비교적 합리적이라고 판단 되는 5점 방식을 택하였다.

0 90 180 270 360

4900 5000 5100 5200

Clock Counts / tooth 3 Point FFT Smoothing 4 Point FFT Smoothing 5 Point FFT Smoothing

Clock counts / tooth

Crank angle [ deg ]

FFFiiiggg...333...555 RRReeesssuuullltttooofffcccllloooccckkkcccooouuunnntttsss///tttoooooottthhhaaattt111999000rrrpppmmm

(28)

F

FFiiiggg...333...666은 각 회전속도에서 계측된 데이터를 5pointFFT Smoothing 방식 을 적용하여 처리한 결과를 보여주고 있다.InternalClock의 주파수를 고정하 였기 때문에 회전속도의 증가에 따라 Clock의 수가 적게 나타나고 변동진폭 또 한 감소함을 알 수 있다.

0 90 180 270 360

4000 6000 8000 10000 12000 14000

Clock counts / tooth

Crank angle [deg ]

At 80 rpm At 100 rpm At 130 rpm At 160 rpm At 180 rpm At 190 rpm

F F

Fiiiggg...333...666RRReeesssuuullltttooofffCCCllloooccckkkCCCooouuunnntttsss///TTToooooottthhhaaattteeeaaaccchhhrrrpppmmm

(29)

333...333운운운전전전조조조건건건에에에 따따따른른른 속속속도도도변변변동동동 계계계측측측 분분분석석석

회전하는 플라이휠의 이(齒)수와 치차사이의 시간을 계산하면,다음과 같이 순간속도를 분당회전수로 구할 수 있으며,또한 각 순간속도를 합산하여 치차 수로 나눈 평균속도를 가지고,각 순간속도에 대한 평균속도비,즉 정형화 (normalized instantaneous speed)하여 순간속도변동을 분석하였다.각 용어의 정의는 다음과 같다.

  

__ ^{ } ^(3.¹⁾



 



_{  }^

^

^



^ ^{ } ^(3.²⁾

_  _

_ ^(3.³⁾

여기에서 _  순간속도,_  평균속도,_ 순간속도와 평균속도의 비 (NormalizedInstantaneousSpeed),  플라이휠(Flywheel)의 기어 이(齒)수,

_ Clock주기 0.6,_ :이(齒)사이의 Clock수를 의미 한다.

F

FFiiiggg...333...777∼₃₃_3._._.₁₁₁₁₁₁_는 _F_F_Fi_i_i_g_g_g._._.3₃_3._._.₆₆₆의결과를 각 회전수 별로 기관회전속도로 환산하 여 순간속도를 각각 나타낸 것이다.

(30)

0 90 180 270 360 74

76 78 80 82 84

Instantaneou speed [rpm]

Crank angle [deg]

Measured 5 Point smoothing

F

FFiiiggg...333...777 VVVaaarrriiiaaatttiiiooonnniiinnnssstttaaannntttaaannneeeooouuusssssspppeeeeeedddaaattt888000rrrpppmmm

0 90 180 270 360

96 98 100 102 104

Instantaneous speed [rpm]

FFFiiiggg...333...888...VVVaaarrriiiaaatttiiiooonnnIIInnnssstttaaannntttaaannneeeooouuusssSSSpppeeeeeedddaaattt111000000rrrpppmmm

(31)

0 90 180 270 360 126

128 130 132 134 136

F F

Fiiiggg...333...999 VVVaaarrriiiaaatttiiiooonnniiinnnssstttaaannntttaaannneeeooouuusssssspppeeeeeedddaaattt111333000rrrpppmmm

0 90 180 270 360

154 156 158 160 162 164

Crank Angle [deg]

F

(32)

0 90 180 270 360 184

188 192 196

Measured 5 Point smoothing

F

0 90 180 270 360

0.950 0.975 1.000 1.025 1.050

Normalized intantaneous speed

80rpm 100rpm 130rpm 160rpm 190rpm

F

FFiiiggg...333...111222 NNNooorrrmmmaaallliiizzzeeedddiiinnnssstttaaannntttaaannneeeooouuusssssspppeeeeeedddaaattteeeaaaccchhhrrrpppmmm

(33)

F

FFiiiggg...333...777∼₃₃_3._._.₁₁₁₁₁₁에서 각 회전수 별로 순간속도 변동을 확인할 수 있고,변동 에 대한 정도와 차이를 비교하기위해,각 회전수에 대한 순간속도변동을 FFFiiiggg... 3

3

3...111222에 식 (3.3)에서 언급한 방법으로 정형화하여 나타내었다.

F

FFiiiggg...333...111222에서 알 수 있는 바와 같이,실험 대상기관 6실린더 기관으로 1회 전 중 6회의 변동을 일으키고 있음을 알 수 있다.또한 왕복동 디젤기관은 회 전수가 낮을수록 순간속도의 변동폭이 증가함을 확인할 수 있다.앞에서 언급 한 바와 같이 왕복동 기관의 한 사이클을 이루는 동안 압축행정 기간에는 토크 의 감소로 순간속도가 감속이 되고 압축행정의 끝에서 감소가 최대로 된다.또 한 팽창행정 기간,토크의 증가로 순간속도가 가속이 되며 결과적으로 이와 같 은 감속과 가속에 의하여 순간속도는 변동하게 된다.

FFFiiiggg...333...111333은 실험선의 주기관의 NCR(190rpm)의 순간속도변동을 나타낸 것이 다.순간속도의 변동이 비대칭인 것은 폭발행정의 토크의 증가로 인한 가속이 압 축행정의 토크의 감소로 인한 감속 보다 크기 때문으로 판단된다.

0 90 180 270 360

184 188 192

196 EXP

LOS ION

PHA SE

COMPRESSION PHASE

Calculated rpm from C_C 5 Point smoothing rpm

FFFiiiggg...333...111333 IIInnnssstttaaannntttaaannneeeooouuusssssspppeeeeeedddooofff666cccyyylll...eeennngggiiinnneeeaaattt111999000rrrpppmmm

(34)

333...444속속속도도도변변변동동동 계계계측측측결결결과과과의의의 고고고찰찰찰 F

FFiiiggg...333...111444는 운전조건에 따른 속도변동의 정도를 파악하기 위하여 각각의 회전속도에 있어서의 속도변동폭을 나타낸 것으로 FFFiiiggg...333...777～～～111111의 각 회전속 도에서의 최대 변동 폭을 평균회전속도의 비(_SpeedVariation Ratio)로 나 타낸 것이다.

F

FFiiiggg...333...111444에서 보는 바와 같이 회전속도가 증가 할수록 변동 폭이 감소함을 재확인할 수 있으며,160rpm 부근에서 최소가 됨을 알 수 있다.



_

 

__

 

__



_ ^(3.⁴⁾

80 120 160 200

0 2 4 6 8

Speed variation ratio [%]

Revolution speed [rpm]

F

FFiiiggg...333...111444 SSSpppeeeeeedddvvvaaarrriiiaaatttiiiooonnnrrraaatttiiioooaaaccccccooorrrdddiiinnngggtttooocccrrraaannnkkkssshhhaaaffftttssspppeeeeeeddd

(35)

회전속도의 변동은 실린더내의 내의 가스 압력에 의한 회전토크 _와 축계 의 회전관성토크_ 및 프로펠러의 구동토크의 변동에 의해 결정된다.

회전운동에너지는 회전속도의 제곱에 비례하기 때문에 회전속도가 증가 할수록 관성력의 영향이 크게 되고 실린더내의 압력변동에 의한 토크_의 영향은 작 게 된다.따라서 160rpm 이하의 영역에서는 회전속도의 증가에 따라 속도변동 폭이 감소한다.

그러나 160rpm 이상의 영역에서는 다시 약간 증가하는 경향을 보이는 것은 박 용기관의 출력 특성이 기관회전수의 3승에 비례하기 때문에 실린더내의 가스압력에 의한 토크 변동에 영향이 크게 나타나기 때문으로 판단된다.

이 결과로 본 대상기관의 경우 160rpm에 서 가장 낮은 속도변동을 보이고 있으며,속도 변동 비율은 3.0～6.7% 정도임을 알았다.특히 Dead Slow의 경 우에 해당하는 80rpm의 경우에는 6.7% 정도로 제일 크게 나타났다.

주기관의 회전속도 변동비율은 프로펠러를 포함한 추진축계의 회전관성 모멘 트에 의하여 크게 영향을 받으므로 선박에 따라 다르게 될 것으로 판단되기 때 문에 다른 선박기관의 경우에 대한 자료의 축척이 필요하다고 생각한다.

(36)

제 제

제 4 4 4장 장 장 순 순 순간 간 간속 속 속도 도 도변 변 변동 동 동 분 분 분석 석 석에 에 에 의 의 의한 한 한 기 기 기관 관 관 진 진 진단 단 단

444...111한한한 실실실린린린더더더 착착착화화화실실실패패패 시시시 기기기관관관분분분석석석

회전속도의 변동은 실린더내의 가스압력에 의하여 발생하기 때문에 실린더간 의 출력이 상이할 경우에는 속도변동의 폭이 증가하게 된다.속도변동의 폭이 증가하면 동력 전달축에 과도한 응력이 발생하게 되고 고장의 원인이 될 수 있 기 때문에 적극적으로 최소화해야 한다.따라서 속도변동 폭을 감시함으로서 각 실린더의 연소상태 등 운전상황을 간접적으로 파악할 수 있다.

착화실패의 발생은 기관의 출력은 물론 가솔린기관의 경우 대기오염에도 관 계가 있기 때문에 고속기관의 경우 속도변동율의 파악으로 착화실패 여부를 판 단하고자 하는 연구도 보고된 바가 있다.또한 이들의 연구결과는 고장진단시 스템의 개발에도 적극 이용되고 있다.

본 연구에서는 한 실린더에 착화실패가 발생하였을 경우를 가정하여 해당 실 린더의 연료공급을 차단하고 운전하여 이때 발생하는 순간속도의 변동을 측정 하였다.

다음 FFFiiiggg...444...111∼₄₄_4._._.₆₆₆은 130rpm에서 정상상태의 속도변동 과 각 실린더에 실 화가 발생하였을 때의 속도변동의 계측결과를 보여 주고 있다.

(37)

0 90 180 270 360 115

120 125 130 135 140

No.6 No.4 No.2

No.5 No.3 No.1

No.1 Cyl. Misfire Normal

F F

Fiiiggg...444...111 IIInnnssstttaaannntttaaannneeeooouuusssssspppeeeeeedddvvvaaarrriiiaaatttiiiooonnniiinnncccaaassseeeooofff N

NNooo...111cccyyyllliiinnndddeeerrrmmmiiisssfffiiirrreee

0 90 180 270 360

120 125 130 135 140

No.6 No.4 No.2

No.5 No.3 No.1

F F

(38)

0 90 180 270 360 115

120 125 130 135 140

No.2 No.6 No.4

No.5 No.3 No.1

F F

0 90 180 270 360

115 120 125 130 135 140

No.2 No.6 No.3 No.4

No.1 No.5

F F

(39)

0 90 180 270 360 115

120 125 130 135 140

No.6 No.4 No.2

No.3 No.5

No.1

F F

Fiiiggg...444...555 IIInnnssstttaaannntttaaannneeeooouuusssssspppeeeeeedddvvvaaarrriiiaaatttiiiooonnniiinnncccaaassseeeooofff NNNooo...555cccyyyllliiinnndddeeerrrmmmiiisssfffiiirrreee

0 90 180 270 360

115 120 125 130 135 140

No.6 No.4 No.2

No.5 No.3 No.1

Instantaneous Speed [rpm]

Crank Angle [deg]

F F

(40)

F

FFiiiggg...444...111은 평균기관회전속도가 130rpm일 때 No.1 Cylinder에 착화실패가 일어났을 경우를 가정하여 No.1cylinder의 연료공급을 차단하고 운전한 경우 의 속도변동을 나타낸 것이다.그림에는 각 실린더의 위치를 함께 나타내 고 있다.

F

FFiiiggg...444...111로부터 기관의 운전 상태를 파악할 수 있다.즉 1번 실린더의 착화 가 실패하면 기관의 회전속도는 급격하게 저하된다.따라서 다음 폭발순서인 5 번 실린더에는 조속기의 작동에 의하여 공급연료량이 증가하고 기관의 회전속 도 또한 증가하게 된다.그러나 5번 실린더의 폭발에도 불구하고 회전속도는 평균회전속도까지 회복되지 못하기 때문에 그 다음 폭발순서인 3번 실린더에서 도 증가된 공급연료량이 폭발하게 되고,그 결과 회전속도는 평균회전속도를 상회하여 증가하게 된다.또한 조속기는 평균속도를 유지하기 위해 4번 실린더 가 폭발하게 되는 순서에서는 공급연료량은 감소하게 되어 회전속도의 증가는 작게 되며 2번 실린더의 압축과정에서 회전속도는 더욱 떨어지게 된다.그리고 앞에서 언급한 것과 같은 이유로 2번 실린더와 6번 실린더의 폭발에 의하여 회 전속도는 평균회전속도 이상으로 상승하게 된다.이와 같은 과정을 반복하게 되어 회전속도의 변동폭은 증가하게 된다.

F

FFiiiggg...444...111에서 알 수 있는 바와 같이 이 경우에는 속도변동비가 약 15%까지 증가하는 것으로 파악되었다.이때의 평균회전속도는 129.1rpm로 계산되었다.

(41)

0 90 180 270 360 0.88

0.92 0.96 1.00 1.04 1.08

No.2 No.6 No.3 No.4

No.5 Normalized Instantaneous speed No.1

Normal No.1 Cyl Misfire No.5Cyl Misfire No.3 Cyl Misfire No.4 Cyl Misfire No.2 Cyl Misfire No.6 Cyl Misfire

F F

Fiiiggg...444...777 NNNooorrrmmmaaallliiizzzeeedddiiinnnssstttaaannntttaaannneeeooouuusssssspppeeeeeedddvvvaaarrriiiaaatttiiiooonnniiinnncccaaassseeeooofff e

eeaaaccchhhcccyyyllliiinnndddeeerrrmmmiiisssfffiiirrreee

F

FFiiiggg...444...777은 FFFiiiggg...444...111～～～444...666의 결과를 정형화(normalized instantaneousspeed) 하여 전 실린더를 폭발순서로 실화(misfire)가 발생한 현상을 보여 주고 있으 며,본 실험대상 선박(실습선)은 6실린더 기관으로 각 실린더가 실화로 인해 일어난 현상이 동일한 경향을 보여 주고 있다.

(42)

444...222기기기관관관 지지지시시시마마마력력력 산산산출출출과과과정정정의의의 오오오류류류분분분석석석

최근 대부분의 대형선박에는 선박의 안전과 경제적 운항을 위하여 MIP가 장비 된 EMS(EngineMonitoring System)장치가 활용되고 있으며,그 주요 기능은 실린더내의 연소상태를 감시하고,효율적인 운전관리 위하여 실린더내의 가스 압력을 직접 측정하여 분석하는 것이다.지시마력의 산출도 주요 기능중의 하 나이다.

지시마력은 실린더내의 압력을 정확한 크랭크각도로 측정하여 산출하여야 한 다.그러나 측정 장치의 가격을 저렴하게 하기 위하여 크랭크각도 검출장치를 생략하고 TDC신호만을 검출하여 압력데이터의 샘플링을 실시간으로 측정하는 경우가 대부분이며,이러한 방법으로 측정된 결과를 이용하여 지시마력을 구하 면 실제의 값과 차이가 발생하게 된다.소형고속기관의 경우에는 관성의 영향 이 크기 때문에 그 영향은 상대적으로 크지 않을 것으로 판단되나,저속 선박 용 기관의 경우에는 회전속도의 변동이 크기 때문에 그 영향도 크게 나타날 것 으로 판단된다.

FFFiiiggg...444...888∼₄₄_4._._.₁₁₁₁₁₁_{은 DeadSl}ow(80rpm)을 제외한 각 Maneuvering rpm과 NCR(190 rpm)경우 기관의 순간속도와 이때 측정된 실린더내의 압력데이터를 함께 나타 낸 것이다.실린더내의 압력은 실시간으로 측정한 결과를 순간속도가 가장 낮 은 위치와 압축 끝의 압력을 나타내는 위치를 TDC로 보고 이를 일치시켜 나 타낸 것이다.그림에서 알 수 있는바와 같이 압축과정의 후기에서 순간속도는 서서히 저하하고 TDC이후의 연소 및 팽창과정에서는 급격하게 증가하게 된다.

工學 學 學碩 碩 碩士 士 士 學 學 學位 位 位論 論 論文 文 文 大

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